Elektrische Stromrückwege bei Flugzeugen
Bislang wurden Flugzeugrumpfelemente und ihre tragenden Bauteile aus Metallen gefertigt. Auf diese Weise ergab sich ein natürliches Rückstromnetz (Current Return Network, CRN), das Funktions- und Fehlerströmen führen oder elektrostatische Ladungen ableiten und die elektromagnetische Abschirmung übernehmen kann. Der kürzlich erfolgte Übergang zum verstärkten Einsatz von Kompositmaterialien führte zu Kosten- und Gewichtseinsparungen und steigerte gleichzeitig die Leistung. Leider weisen diese Verbundwerkstoffe eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf und so besteht ein Bedarf an bestimmten leitenden CRN-Wegen wie zum Beispiel einem nahezu äquipotenziellen elektrischen Netz (almost equipotential electrical network, ALEEN). Das EU-finanzierte Projekt "Optimizing electrical network in airplane composite structure" (GENIAL) konzentrierte sich auf eine elektromagnetische Charakterisierung der ALEEN-Struktur. Die präzise elektromagnetische Charakterisierung wird die richtige Ausführung von elektrischen Systemen, etwa des Verbindungssystems zur elektrischen Verkabelung (Electrical Wiring Interconnection System, EWIS), ermöglichen, ohne dass immer wieder Versuchsaufbauten realisiert werden müssen. Die Projektpartner entwickelten ein Instrument zur rechnergestützten Entwicklung und Fertigung (Computer-Aided Engineering-Tool, CAE), das Eingangswerte zu Flugzeug- und ALEEN-Geometrien und Materialeigenschaften aus dem computergestützten Entwerfen, Gestalten und Konstruieren (Computer-Aided Design, CAD) übernehmen kann. Dieses bewertet die äquivalente Impedanzmatrix an ALEEN-Anschlüssen im Frequenzbereich von 0 bis mehrere Hundert Kilohertz. Man berücksichtigte gleichermaßen Aspekte wie EWIS und die elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Flugzeugrumpf. GENIAL wandte eine Vollwellen-3D-Modellierung auf Basis der Oberflächenbeschaffenheit des Teilelement-Ersatzschaltungsverfahrens unter Berücksichtigung sämtlicher elektromagnetischer Wechselwirkungen wie zum Beispiel der Kopplungs- und Proximity-Effekte an. Dieser Typ des Verfahrens wurde aufgrund seiner Wirksamkeit im Niederfrequenzbereich ausgewählt. Besondere Anstrengungen widmete man der High-Fidelity-Modellierung, um die Genauigkeit zu verbessern, ohne dass das numerische Modell in Bezug auf das CAD-Modell vereinfacht werden muss. Das entwickelte Instrument wird bei der Design-Verifizierung und in den Produktionsstufen von ALEEN-Strukturen zum Einsatz kommen. Zur Erprobung der Leistung der CAE-Prozedur wird das numerische Verfahren voraussichtlich in einem echten Flugzeug angewandt werden.
Schlüsselbegriffe
numerische Methodik, Softwareinstrument, Flugzeug, Komposit, Rückstromnetz, almost equipotential electrical network, nahezu äquipotenzielles elektrisches Netz, elektromagnetische Verträglichkeit
